Thuyết lượng tử lại vượt qua một kiểm tra thực nghiệm quan trọng

Kể từ khi cơ học lượng tử lần đầu tiên được thiết lập, một loạt nhà vật lí trong đó có Albert Einstein đã không thấy thoải mái với ý tưởng sự vướng víu – nhờ đó một nhóm hạt lượng tử có mối quan hệ gần gũi hơn cái mà cơ học cổ điển cho phép. Kết quả là một số nhà vật lí đã đề xuất những lí thuyết thay thế khác cho phép những mối liên hệ gần mà không cần đến cơ học lượng tử. Trong khi thật sự khó kiểm tra những lí thuyết này, thì nay các nhà nghiên cứu ở Anh vừa sử dụng “ánh sáng xoắn” để thực hiện một phép đo quan trọng củng cố cho thuyết lượng tử.

Thuyết lượng tử có vẻ xa lạ với kinh nghiệm hàng ngày của chúng ta vì nó thách thức quan niệm của chúng ta về “thực tại” – quan niệm cho rằng các vật có những tính chất rạch ròi cho dù chúng ta có đang nhìn vào chúng hay không. Thuyết lượng tử còn gọi ra các thực thể có khả năng phản ứng tức thời với một sự kiện xảy ra ở mọi nơi – rõ ràng bất chấp nguyên lí định xứ, nguyên lí cấm truyền thông tin nhanh hơn tốc độ ánh sáng.

Sơ đồ thí nghiệm do Sonja Franke-Arnold và các đồng nghiệp thực hiện. Khung hình nhỏ ở góc dưới bên trái là biểu diễn của các trạng thái xung lượng góc quỹ đạo. (Ảnh: Sonja Franke-Arnold)

Những sự kì lạ này đã được nhà vật lí John Bell biểu diễn bằng toán học thành bất đẳng thức nổi tiếng mang tên ông. Bell chứng minh rằng một sự kết hợp đặc biệt của các phép đo thực hiện trên các cặp hạt giống hệt nhau được chuẩn bị sẵn sẽ tạo ra một liên kết số (hay bất đẳng thức) được thỏa mãn bởi mọi lí thuyết vật lí tuân theo tính thực tại và tính định xứ. Tuy nhiên, ông còn chứng minh rằng liên kết này bị vi phạm bởi các tiên đoán của cơ học lượng tử về các cặp hạt bị vướng víu.

Trong các thí nghiệm Bell, hai nhà quan sát ở xa nhau, chẳng hạn, đo sự phân cực của các hạt bị vướng víu theo những hướng khác nhau và tính ra các tương quan giữa chúng. Yêu cầu này đã được thực hiện hồi thập niên 1970 bởi Stuart Freedman và John Clauser, và hồi thập niên 1980 bởi Alain Aspect, người đã sử dụng các photon vướng víu để xác nhận thuyết lượng tử.

{loadposition article}

Từ bỏ tính định xứ cho thực tại

Vật lí học thường chấp nhận rằng thế giới lượng tử không xem trọng “thực tại định xứ”, nhưng vào năm 2003, Anthony Leggett thuộc trường đại học Illinois tại Urbana-Champaign đã thử hồi sinh thuyết thực tại bằng cách từ bỏ tính định xứ. Nếu hai thực thể có thể sắp xếp các tương quan của chúng qua sự truyền thông tức thời, thì có lẽ vẫn có khả năng là mỗi thực thể trong số chúng có những tính chất rạch ròi. Kịch bản thực tiễn nhưng phi định xứ của Leggett vượt qua được phép kiểm tra Bell, nhưng liệu nó có thể thật sự mô tả được thế giới lượng tử hay không?

Bốn năm sau đó, các nhà vật lí ở Áo, Thụy Sĩ và Singapore đã đi trả lời bằng dữ liệu. Thay vì đo các trạng thái phân cực thẳng thường vi phạm bất đẳng thức Bell, họ đi tìm các tương quan giữa các trạng thái phân cực elip – kết hợp của các trạng thái phân cực thẳng và tròn. Cho dù giả sử các photon vướng víu có thể phản ứng với nhau tức thời, thì các tương quan giữa các trạng thái phân cực vẫn vi phạm bất đẳng thức Leggett. Kết luận là sự truyền thông tin tức thời không đủ để giải thích sự vướng víu và tính thực tại cũng phải bị bác bỏ.

Kết luận này nay được hồi sinh trở lại bởi Sonja Franke-Arnold cùng các đồng nghiệp tại trường Đại học Glasgow và Đại học Strathclyde, họ đã thực hiện một thí nghiệm khác chứng tỏ rằng các photon vướng víu biểu hiện những tính chất rạch ròi – ngay cả khi chúng được phép truyền thông tin tức thời. Nhưng thay cho sự phân cực, họ nghiên cứu tính chất của xung lượng góc quỹ đạo của từng photon.

Ánh sáng xoắn

Trong các photon, xung lượng góc quỹ đạo có thể hiểu được bằng cách tưởng tượng rằng sóng ánh sáng xoắn xung quanh trục của chùm tia sáng. Có thể minh họa nó bằng một hình ảnh xoắn ốc đơn giản, một chuỗi xoắn kép hoặc những xoắn phức tạp hơn với xung lượng góc tăng dần. Franke-Arnold và đội của bà tập trung vào kiểu xoắn kép.

Chàng sinh viên Glasgow, Jacquie Romero, thực hiện thí nghiệm bằng cách chiếu một laser tử ngoại vào một quang tinh thể được thiết kế để phân tách các photon năng lượng cao thành các cặp photon hồng ngoại vướng víu. Những photon này tiếp tục đi đến một máy tạo ảnh ba chiều do máy tính điều khiển, bộ phận này sẽ lọc thô các trạng thái xung lượng góc quỹ đạo bổ sung. Các photon đi qua máy tạo ảnh ba chiều khi đó được đếm bằng một máy dò photon độc thân.

Sự tương quan giữa hai photon vướng víu, một photon có xung lượng góc quỹ đạo theo chiều đồng hồ còn photon kia xoắn ngược chiều kim đồng hồ, được tiên đoán bởi các đề xuất của Bell và Leggett cũng như thuyết lượng tử. “Chúng tôi canh lệch có chủ ý máy tạo ảnh ba chiều của mình khỏi các trạng thái bổ sung và đo lấy các tương quan thu được”, Franke-Arnold giải thích. Các số đếm ngẫu nhiên trong máy dò xuất hiện khá thường xuyên phù hợp với lí thuyết của Leggett. Tuy nhiên, chúng thật sự khớp với các tiên đoán lượng tử.

‘Một kết quả mang tính triết học’

“Kết quả chủ yếu trên thật ra là một kết quả mang tính triết lí”, Franke-Arnold nói. Các hạt bị vướng víu không thể mô tả như những thực thể đơn lẻ, cũng không thể mô tả với một kết nối ngoại cảm với các đối tác của chúng.

Simon Gröblacher ở trường Đại học Vienna thì cho rằng những thí nghiệm này bác bỏ tính thực tiễn chỉ cho một họ rộng các lí thuyết phi định xứ - tuy nhiên, những lí thuyết thì không được mô tả bởi bất đẳng thức Leggett. Đội của ông trước đây là đội đầu tiên chứng minh được sự vi phạm bất đẳng thức Leggett qua sự phân cực photon, và ông cho biết sẽ thật là đẹp nếu như sự vi phạm đó được xác nhận với một tính chất khác nữa của các photon. “Các thí nghiệm dường như có vẻ đơn giản hơn”, ông nói, xung lượng góc quỹ đạo mang lại các cơ hội kiểm tra sự chồng chất của nhiều hơn hai trạng thái.

Nguồn: physicsworld.com